BM의 이해
홀로토모그래피 기술의 이해
토모큐브는 홀로토모그래피(Holotomography)라는 첨단 현미경과 관련 소프트웨어 솔루션을 개발·판매한다.
홀로토모그래피 원리
홀로토모그래피는 세포나 조직을 염색하거나 손상시키지 않고도 살아있는 상태로 3차원 고해상도 관찰이 가능하다.
홀로토모그래피 장비는 레이저/LED 광원을 이용해 투과된 빛의 위상 차이를 분석함으로써 시료의 굴절률 분포를 3D 영상으로 재구성한다.
그 결과 세포 내부의 소기관(미토콘드리아, 핵, 지질 방울 등)까지 약 100nm 수준의 해상도로 선명하게 볼 수 있으며, 형광 염색 없이도 살아 있는 세포의 동적 변화를 실시간으로 장기간 추적할 수 있다.
이러한 비표지(label-free) 3D 이미징 기술은 기존 광학현미경이나 형광현미경이 가진 한계를 뛰어넘는 획기적 플랫폼으로 평가된다.
홀로토모그래피는 바이오·의료 분야를 중심으로 폭넓은 응용처를 가지고 있으며, 토모큐브는 핵심 특허를 통해 기술 장벽을 확보하고 있다.
토모큐브 공동창업자인 박용근 KAIST 교수가 개발한 핵심 알고리즘과 광학 설계는 특허로 보호되어 경제적 해자의 근거가 되고 있으며, 회사는 이 원천기술을 바탕으로 세계 최초로 2세대 홀로토모그래피 상용화에 성공했다.
시장은 토모큐브가 경쟁사 대비 5년 이상의 기술 격차를 확보하여, 파크시스템스가 자체 AFM 현미경 기술로 신시장을 개척해 성장한 것에 비견된다는 평가를 받았다.

홀로토모그래피의 활용
현재 홀로토모그래피 기술의 주고객층은 대학·공공 연구소, 병원, 제약사의 생명과학 연구자들로,
재생의학, 암연구, 병리진단 등 분야에서 신약 개발과 세포치료제 R&D중 세포 독성평가나 약물 작용 메커니즘 연구 시 살아있는 세포/오가노이드를 장기간 모니터링할 수 있는 장비로 각광받고 있다.
오가노이드란 인체 장기의 기능을 모사한 3차원 미니장기로서,
최근 동물실험을 대체할 핵심 기술로 부상 중인데,
토모큐브의 HT 장비는 오가노이드 내부를 절개 없이 그대로 들여다보며 약물 효과를 분석하는 데 최적화된 솔루션으로 평가된다.
체외수정(IVF) 분야에서는 배아를 착상 전에 비파괴 검사하여 선별하는 용도로,
체외진단(IVD) 분야에서는 혈액세포나 조직 슬라이드를 3D로 분석하는 용도로 활용 가능성이 높다.
미국 NIH 산하 인체 종양 아틀라스 네트워크(HTAN) 사업에 토모큐브 장비가 단독 파트너로 선정되어,
모든 3D 암 세포 지도 데이터를 토모큐브 영상으로 구축하는 등 앞으로 홀로토모그래피 국제 표준 플랫폼으로 자리매김할 잠재력을 입증하고 있다.
또한, 향후 세포치료제 생산 공정의 품질관리(QC)나 고속 페놈 스크리닝 시장 등으로도 확대 여지가 크다.
이후로는 다양한 동물 실험 대체 방법론들과 각각의 방법론에 홀로토모그래피 기술이 필수적인 이유를 알아보겠다.
동물실험 대체 접근법 개요 및 비교 분석
오가노이드 (Organoid) 기술
오가노이드는 줄기세포를 배양하여 실제 장기와 유사한 미니 장기를 만드는 기술이다.
장기의 세포 구성과 구조, 기능을 시험관 내에서 재현할 수 있어 최근 큰 주목을 받고 있다.
인체 장기를 시험관에서 모사한다는 강점 때문에, 인간 세포 기반 모델로서 인간 대상 신약 검증 프로세스로서 동물실험의 유효성을 보완할 수 있는 유망한 NAM 후보로 평가된다.
기술 성숙도 : 오가노이드 기술은 지난 10년간 비약적으로 발전하여 뇌, 간, 장, 폐, 신장, 종양 등 다양한 장기 오가노이드가 연구되고 있다.
일부는 상용화 단계로, 표준화된 오가노이드 배양 키트나 서비스도 등장했다.
다만 성숙 장기와 동일한 수준은 아니며, 혈관계 등 미흡한 요소도 있어 개선 연구가 진행중이다.
재현성과 표준화 : 오가노이드는 세포가 배양 과정에서 실험실 간 프로토콜 차이로 성장 정도나 세포 구성이 달라질 수 있다.
배양 조건 표준화, 자동화 시스템, 품질기준 마련을 위해 오가노이드 크기·성숙도를 균일하게 만드는 배양 기술, 대량 자동배양 플랫폼 등이 개발되고 있어 점차 일관성이 개선되고 있다.
비용 : 배양시 전문 인력과 장기간이 소요되어 전통 2D 세포배양보다 고비용이다.
배양용 특수 배지, 매트릭스 등 소모품도 비싸다.
그러나 오가노이드 라인이 확립되면 동물실험보다 추가 실험 비용이 절감될 수 있고,
환자 유래 오가노이드를 활용한 경우 임상 일부를 대체하여 비용 절감 효과도 기대된다.
결국 현재는 추가 비용이 들지만, 향후 대량배양 기술 발전으로 단가 인하 가능성이 있다.
규제 수용성 : 현재까지 오가노이드 데이터를 직접 신약 개발 승인에 활용한 사례는 많지 않지만, 규제 당국의 관심과 수용도는 높아지고 있다.
FDA는 현대화 법안 이후 오가노이드 기반 독성 평가를 중요한 NAMs으로 언급하고 있으며,
EMA(유럽의약청)나 NIH 등도 인체 유래 모델로서 오가노이드를 인정하는 분위기다.

적합한 적용 분야 : 항암제 및 희귀질환 약효 시험 등 빅파마, 신약 개발 기업들의 투자가 집중되는 분야를 비롯하여 인체와 유사한 반응을 보는 광범위한 분야에 응용되고 있다.
실제 환자의 종양세포로 만든 오가노이드로 테스트하여 치료제를 선택하거나,
유전질환 환자의 줄기세포로 오가노이드를 만들어 신약 타겟 발굴에 쓰고 있다.
종양 분야에서는 동물 대신 환자 오가노이드로 항암제 스크리닝이 시도되고 있다.
장기-칩 (Organ-on-a-Chip, OoC)
장기-칩(Organ-on-a-Chip) 기술은 미세유체공학 기반의 칩 위에 특정 장기의 세포들을 배양하여 인체 장기의 구조와 기능을 모사하는 방식이다.
예를 들어, 폐-칩은 호흡 움직임을 모사하기 위해 탄성막을 주기적으로 늘였다 줄이며 폐포세포와 모세혈관세포를 양면에 배양하고,
간-칩은 간세포와 쿠퍼세포 등을 미세유로에 배양해 체내 간의 대사작용을 재현한다.
이런 Microphysiological System(MPS)은 장기 단위의 정밀한 생리현상을 재현하여 동물 모델의 한계를 보완하는 첨단 NAM으로 각광받고 있다.
기술 성숙도 : Organ-on-a-Chip은 초기 상용 제품이 등장한 중간 수준 성숙도의 기술이다.
현재 여러 스타트업 기업(Emulate, TissUse, CN Bio 등)이 상용 칩 플랫폼을 개발하여 제약사와 협업을 진행중이다.
간, 심장, 폐, 장, 뇌, 신장 등 주요 장기 칩이 연구 단계에서 구현되었고,
둘 이상의 칩을 연결한 “Body-on-a-Chip” 시스템도 개발 중이다.
그러나 아직 대규모 산업 표준으로 정착했다고 보기는 이르며,
프로토타입 개발 단계에서 응용 사례를 축적하고 있다.
재현성과 표준화 : 재현성 측면에서는 개선이 필요한 신생 기술이다.
GAO(미 회계감사원) 보고서는 서로 다른 연구 결과를 비교할 기준 및 검증 연구가 부족하여,
얼마나 신뢰성 판단이 어렵다고 지적하고 있다.
칩에 사용되는 세포원의 품질 편차(인간 세포 확보의 어려움)도 일관성에 영향을 준다.
현재는 각 기업/연구소마다 자체 검증에 주력하고 있고,
미국 FDA와 NIH가 장기칩 검증 워크숍 등을 개최하여 평가기준 마련에 착수하였다.
비용 : 장기-칩은 초기 비용이 비교적 높다.
칩 구동 펌프, 제어장치 등 장비, 마이크로칩 제조비 등이 소요된다.
장기적인 관점에서는 비용 절감 가능성이 있다.
칩은 동일 조건에서 다수의 반복실험이 가능하고,
실패한 후보물질을 조기에 걸러내 후속 동물실험이나 임상시험 비용을 절약할 수 있다.
또한 자동화된 멀티칩이 개발되면 고효율 대량스크리닝으로 비용/시간을 크게 줄일 수 있다.
현재로서는 초기 비용은 크지만 장기적 효율로 상쇄가 예상된다.
규제 수용성 : 규제 당국은 시범 프로그램을 가동 중이다.
FDA는 약물 유발 간독성(DILI) 예측을 위해 Emulate사의 간-칩(Liver-Chip)을 MPS 검증 파일럿 프로그램에 포함시켜, 이 플랫폼의 예측능력을 공식적으로 평가하고 있다.
또한 ‘25년 단클론항체(mAb) 독성평가에 NAM만으로 진행하는 파일럿 프로젝트를 발표하고, 선정 기업들이 주로 장기-칩 등 NAM 데이터로 안전성을 입증하도록 할 계획을 밝혔다.
프로젝트가 성공할 경우 매년 수천 마리의 실험동물을 대체할 수 있을 것이다.
다만 아직까지는 장기-칩 데이터만으로 허가받은 약물은 없으며, 보완적으로만 활용되고 있다.
적합한 적용 분야 : 장기-칩은 약물 독성 평가 분야에서 특히 유용하다.
동물과 인체 대사차이로 발생하는 간독성, 심장독성 등을 조기에 발견할 수 있다.
장기칩을 연결한 다중장기 시스템으로 약물의 흡수-분포-대사(PK : 약동학) 실험도 시도중이다.
질환 모델링 측면에서는, 폐-칩으로 호흡기 감염병 연구, 장-칩으로 장내 미생물과 장 상피 상호작용 연구, 혈뇌장벽-칩으로 중추신경계 약물 전달 연구 등이 진행중이다.
희귀질환의 경우 환자 세포로 장기칩을 제작해 병인을 연구하는 사례도 있다.
다만 현 기술로는 암처럼 복잡한 질환의 효능 평가에는 오가노이드와 함께 활용되는 등,
특정 기전 규명이나 독성 평가에 강점을 보인다.
3D 바이오프린팅 조직
3D 바이오프린팅은 바이오잉크(세포+하이드로젤 혼합물 등 생체재료)를 3D 인쇄하여 원하는 생체조직(인공 조직/장기 구조물)을 제작한다.
기존 배양 방식보다 복잡한 구조를 세밀하게 재현할 수 있어 주목받고 있다.
기술 성숙도 : 3D 바이오프린팅 기술은 연구개발이 활발하지만 상용화는 초기 수준이다.
간단한 조직(미니 간, 피부 패치 등)은 시험적으로 프린팅에 성공하였고,
몇몇 기업은 인공 피부조직이나 연골조직 등을 상용화를 시도중이다.
재생의료 분야 이식용으로 발전해오다가 최근 약물 테스트용 인공조직 적용도 시도중이다.
완전한 혈관화를 갖춘 거대 장기 프린팅은 요원하지만,
마이크로조직 수준에서는 간세포를 프린팅해 미니 간 조직을 만들거나,
종양세포+면역세포를 함께 프린팅해 종양 미세환경 모델을 만드는 등 응용 연구가 늘고 있다.
재현성과 표준화 : 디자인대로 조직을 찍어내 일관된 구조를 얻을 수 있다는 점이 장점이다.
이론적으로는 설계가 동일하면 동일 구조물을 얻을 수 있어 재현성 측면에서 잠재력이 높다.
그러나 현실적으로는 바이오잉크의 특성, 프린팅 해상도, 프린팅 후 세포의 생존과 조직화 과정 등이 달라질 수 있어 여전히 변동성이 존재한다.
최적 바이오잉크 개발도 문제이다.
아직 인체 조직과 동일한 복잡성을 완전히 모사하는 잉크는 없으며 프린팅 과정에서 층간 결합 등이 불완전하면 조직 기능에 영향이 있다.
현재는 표준화된 프로세스 확립을 위해 다중 프린팅 헤드로 다양한 소재를 동시에 출력하거나, 인쇄 도중 실시간 품질검사를 도입하는 등 정밀도 향상 연구가 진행 중이다.
비용 : 3D 바이오프린팅은 상용 바이오프린터, 세포를 생존시킬 바이오잉크(히알루론산, 콜라겐 등)와 같은 고가의 전문 장비와 소모품을 필요로 한다.
또한 프린팅한 조직을 유지하는 배양 비용, 숙련된 인력 인건비로 현재는 고비용이 소요된다.
향후 기술 성숙으로 자동화·대량화되면 단가가 낮아질 수 있지만,
아직은 동물실험보다 비용 면에서 유리하다고 보기 어렵다.
다만 동물실험으로 얻기 어려운 인간 조직 데이터를 제공함으로써 후속 개발 비용 절감 효과는 기대할 수 있다.
규제 수용성 : 바이오프린팅으로 만든 조직을 규제 시험에 활용한 사례는 거의 전무하다.
환자 유래 세포를 이용한 맞춤형 조직을 판매/이용시 윤리적 동의, 개인정보 등 문제가 있으며,
인체 이식을 염두에 둔다면 GMP 등 제조관리도 필요하다.
약물시험용으로 사용한다 해도, 그 결과를 신뢰할 만한지 규제 당국이 판단하려면 임상결과와의 대응 검증이 필수인데, 대규모 비교 연구가 부족하다.
미국 FDA, EMA 등은 바이오프린팅의 잠재력을 인지하고 업계와 협력하여 가이드 마련을 논의 중이며, 검증(예: 프린팅 조직 vs 임상 결과의 상관성 평가)을 위한 연구를 요구하고 있다.

적합한 적용 분야 : 활용처로는 신약 개발 단계의 조직 수준 약효/독성 테스트가 있다.
예를 들어 피부감작성 테스트에 인간 피부모델(프린팅한 피부) 활용을 모색하거나,
종양 미세환경 모델을 프린팅하여 면역항암제 효과를 시험하는 연구가 있다.
또한 정형외과 분야에서는 뼈·연골을 프린팅하여 기존 동물골절 모델을 대체하려는 시도도 있다.
질병 모델링 측면에서는 간 경화 조직, 심근경색 후 섬유화된 심장조직 등을 프린팅하여 병리 연구를 하는 등 활용 범위가 넓다.
장기적으로는 환자 맞춤 인공장기 제작이 목표이지만,
단기적으로는 임상 전 인간 조직 플랫폼으로서 제약연구에 공헌할 전망이다.

AI 기반 인실리코 모델링
인실리코(in silico) 모델링은 컴퓨터 시뮬레이션이나 인공지능(AI) 알고리즘을 활용하여 약물의 효과와 독성을 예측하는 접근법이다.
동물이나 실제 세포를 사용하지 않고, 기존 축적된 데이터와 이론 모델에 기반해 가상 환경에서 후보물질의 거동을 모사하는 것이다.
최근 기계학습 기술 발달로 일종의 디지털 트윈(digital twin)을 만들어 임상시험을 가상으로 시행하는 개념까지 등장하면서, 인실리코 모델은 중요한 NAM의 축으로 부상했다.
기술 성숙도 : 전통적으로 QSAR(Quantitative Structure-Activity Relationship : 정량적 구조-활성 상관관계) 모델 등이 폭넓게 활용되어 왔고,
현재는 딥러닝을 이용한 독성 예측 AI가 개발되고 있어 기술적으로 상당히 성숙한 편이다.
예를 들어, 화합물 구조로 발암성 여부를 맞추는 예측모델, 약물-타겟 상호작용을 예측하는 알고리즘 등이 이미 업계에서 사용 중이다.
또한 체내 약물 동태를 수식으로 풀어내는 생리기반 약동학(PBPK) 모델이나,
전산 유전체학을 통한 부작용 예측 등도 발전하여 실무에 적용되고 있다.
최근에는 신약 후보를 생성하는 생성모델(예: de novo 드러그 디자인)까지 등장하였다.
즉, 인실리코 분야는 다른 NAM에 비해 성숙도가 높으며, 계속 정교해지고 있다.
재현성과 표준화 : 컴퓨터 모델은 동일 입력에 동일 출력을 내므로 실험적 재현성 문제는 없지만,
모델의 예측 정확도가 관건이다.
AI 모델의 신뢰도는 학습 데이터와 알고리즘에 좌우되기에,
훈련되지 않은 영역의 화합물에 대해서는 부정확할 수 있어 모델 검증(Validation)이 중요하며,
규제 당국은 모델링 거버넌스(모델 개발·검증 표준) 마련을 검토하고 있다.
그럼에도 불구하고 완전히 동일한 절차를 반복할 수 있어 표준화가 용이하다.
OECD 등은 (Q)SAR 모델 검증 가이드라인을 이미 만들어 두었고,
예측 성능 지표(민감도, 특이도 등)로 모델의 신뢰성을 평가하고 있다.
비용 : 초기 개발비용은 높을 수 있지만, 일단 구축된 후엔 슈퍼컴퓨터나 클라우드 자원 사용료 정도로 수천~수만 화합물을 신속히 스크리닝할 수 있어, 개별 실험당 비용이 매우 낮다.
최근에는 오픈소스 툴도 많아져 활용 가능하므로, NAM 중 비용 효율은 가장 높은 편이다.
규제 수용성 : 인실리코 모델은 일부 영역에서 이미 규제 활용이 이루어지고 있다.
대표적으로 의약품 불순물의 발암성 평가에 관한 국제 지침(ICH M7)에서는 두 가지 상호보완적 QSAR 예측 결과로 발암성 우려가 낮다고 판단되면 추가 동물실험 없이 넘어갈 수 있도록 하고 있다.
Premier Research | The FDA Modernization Act 2.0: The End of IND-Enabling Toxicology Studies?

EPA(미 환경청)는 화학물질 평가 시 독성경로 모형, read-across 등 컴퓨터 예측을 활용하며,
EU REACH도 저우려 물질에 대해 동물대신 컴퓨팅 예측자료를 허용한다.
최근 FDA도 AI 기반 약물독성 예측에 관심을 표명하여, 디지털 모델링 결과를 IND 패키지에 포함하도록 권고하고 있다.
다만, 전면적인 규제 데이터 대체로 인정되려면 여전히 조심스러운 입장으로, 현재는 인실리코 예측 + 제한적 in vitro 시험으로 동물시험 면제를 검토하는 수준입니다.
하지만 Modernization Act 2.0에 따라 인실리코도 정식 시험자료로 고려하게 되어 성장이 예상된다.
적합한 적용 분야 : 인실리코 모델은 초기 후보물질 필터링, 다른 in vitro NAM에서 얻은 데이터를 통합 분석하는 보완적 툴로 활용된다.
수많은 화합물 중 독성 가능성이 높은 것이나 효능이 낮아보이는 것을 미리 걸러냄으로써 이후 실험 대상을 줄인다.
또한 기존 데이터로 학습했기 때문에 사람에 대한 예측을 어느 정도 할 수 있어, 임상 부작용 예측에도 활용된다.
약물 재창출 분야에서는 AI가 기존 약물의 새로운 적응증을 찾아내기도 한다.
당뇨병 환자 가상 시뮬레이터를 만들어 약물이 혈당에 미치는 영향을 인체 수준에서 예측하거나, 종양 성장 가상 모델로 신약의 종양축소 효과를 시뮬레이션하는 등 질환에 대한 시스템 모델링도 인실리코의 영역이다.
궁극적으로 “디지털 트윈”이라 불리는 환자 개개인의 컴퓨터 복제본을 만들어, 가상 임상시험을 돌려보는 개념까지 등장하여 임상시험 참여자 수를 줄이려는 시도가 진행 중이다.
Beyond Animals: Revolutionizing Drug Discovery with Human-Relevant Models

유도만능줄기세포(iPSC) 기반 세포 모델
유도만능줄기세포(iPSC) 기술로 분화시킨 인간 세포들은 동물세포를 대체하는 인체 고유 세포 모델을 제공한다.
예컨대 환자의 피부세포로부터 iPSC를 만든 뒤 심근세포로 분화시키면, 환자 유래 심장세포를 무한대로 얻어 실험에 쓸 수 있다.
이러한 iPSC 유래 세포(심근세포, 뉴런, 간세포 등)는 인체 생리와 유사한 반응을 보여 신약 독성 테스트 등에 활용되고 있다.
또한 특정 유전병을 가진 환자의 세포를 분화하면 희귀질환 모델이 되어 병리 연구와 약효 시험에 사용할 수 있다.
기술 성숙도 : iPSC 분화기술은 지난 10여년간 빠르게 발전하여, 상당히 성숙된 단계다.
일본, 미국 등에서 표준화된 iPSC 유래 세포(예: 심근세포, 신경세포)를 상업적으로 판매중이며,
연구자도 논문 프로토콜을 따라 비교적 손쉽게 원하는 세포를 얻을 수 있다.
다만 품질측면에서 태아기/신생아기 상태의 미성숙한 형질을 보이는 경우가 많다.
예를 들어 iPSC-심근세포는 실제 성인의 심근세포보다 소듐/포타슘 채널 발현이나 수축력 등이 미약하여, 성숙도 향상이 필요하다.
이를 개선하기 위해 장기간 배양, 기계적 자극 부여, 3D 조직화 등 방법이 개발되고 있다.
하지만 동물세포보다 인체 특성을 반영하며, 기술적으로 널리 이용 가능한 수준이다.
재현성과 표준화 : iPSC는 세포주(batch)마다 차이가 있을 수 있다.
iPSC는 공여자의 유전적 배경을 가져 공여자가 다른 iPSC 유래 세포는 반응이 달라진다.
따라서 실험마다 동일 세포주 사용이 중요하며, 변이가 적은 표준 iPSC 사용이 권장된다.
현재는 표준 reference iPSC를 설정하고, 분화된 세포의 특성을 인증하는 노력이 진행 중이다.
한편 동일한 iPSC에서 분화한 세포들은 비교적 일관성을 보여 반복 실험의 재현성은 양호하다.
표준 운영 프로토콜(SOP) 확립도 진전되어, 특정 회사/기관에서 공급하는 iPSC-심근세포는
전 세계 연구자들이 유사한 방법으로 취급하여 데이터 비교가 가능하다.
비용 : iPSC를 확립하고 분화하는 데는 상당한 비용과 시간이 소요된다.
숙련된 세포배양 인력이 필요하고, 분화 배양에는 수주에서 수개월이 걸리며, 특수한 배양배지와 인큐베이터 등이 요구된다.
상용 제품을 구입할 경우 웰당 수십만원에 달하기도 한다.
그러나 한 번 확립한 iPSC 라인은 지속적으로 증식시켜 쓸 수 있으므로,
장기적으로 동일 공여자의 일차 세포를 계속 얻는 효과가 있어 동물이나 인체 조직을 반복 채취하는 것보다 비용 효율적이다.
전통 동물실험과 비교하면, iPSC 시험은 세포 공급 구축만 되면 비용이 저렴해질 수 있습니다.
현재로서는 중간 정도 비용으로 평가할 수 있고, 대규모 제약사들은 이미 iPSC 세포 패널을 구축하여 비용 대비 효과를 입증하고 있다.
규제 수용성 : iPSC 기반 세포모델은 규제 평가에 점진적으로 도입되고 있다.
가장 선도적인 예는 심장 독성 평가 분야에서, FDA가 주도하는 CiPA(Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay) 계획에 iPSC 유래 심근세포 전기생리 시험이 포함되어 있다.
이는 신약의 심실부정맥 유발 위험을 기존 동물심장 시험 대신 인간 심근세포 시험+컴퓨터 모델링으로 평가하려는 국제적 노력으로, 최종 승인되지는 않았으나 많은 데이터가 축적되었다.
이처럼 특정 안전성 평가 영역에서 iPSC 모델 채택이 논의되고 있다.
아직 공식 가이드라인에 iPSC를 명시한 사례는 없으나,
FDA/NTP 등의 독성연구에서 iPSC로 만든 간세포, 신경세포 활용 사례가 증가하고 있다.
미국 Tox21 프로그램은 차세대 전략으로 iPSC 유래 간, 심장, 신경세포 등의 3D 배양 모델을 구축하여 초기 독성 스크리닝 후 심화 평가(secondary screening)에 활용중이다.
이는 규제 기관도 iPSC 모델의 가치를 인정하고 데이터를 축적하고 있음을 입증한다.
iPSC 모델은 곧 사람 장기 특이적 독성(간독성, 심장독성 등) 분야에서 동물실험을 대체하여 규제 제출자료의 일부로 받아들여질 가능성이 높다.
적합한 적용 분야 : iPSC 세포모델은 인체 조직 특이적인 약물 반응 평가에 적합하다.
대표적으로 심근세포 시트(sheet)나 3차원 심장 미세조직을 만들어 심장독성(예: QT 연장, 부정맥 유발) 테스트에 사용한다.
또한 간세포 스페로이드를 만들어 간독성 및 대사체 분석에 활용하거나, 도파민 신경세포로 파킨슨병 모델을 만들어 신약 효능을 시험한다.
희귀 유전질환 연구에서도, 환자 iPSC로 만든 세포/오가노이드를 활용해 병리기전을 규명하고 치료 후보를 찾는다.
iPSC는 환자 유래이기에 질환 모델링의 개인화가 가능하며, 세포치료제에도 응용될 수 있다.
즉, 환자별 또는 장기 특이적 반응을 알아보고자 할 때 iPSC 모델이 유용하며, 특히 심장, 신경 등 중요한 독성표적 장기들의 예측에 중요한 역할을 하고 있다.
고해상도 이미징 기반 세포 분석 (홀로토모그래피 등)
고해상도 이미징 기반 분석은 첨단 현미경 기술로 세포나 미니장기의 미세 변화를 정밀하게 관찰하여 정량적 데이터를 추출하는 방법이다.
최근 등장한 홀로토모그래피(holotomography) 기술이 그 대표적인 예로, 레이저 간섭계를 이용해 세포 내부의 굴절율 분포를 3D로 영상화함으로써 라벨링 없이 살아있는 세포의 구조와 동적 변화를 실시간으로 볼 수 있다.
이러한 기술은 직접 대체 모델은 아니지만, 다른 in vitro 대체시험에서 얻은 결과의 정밀분석과 새로운 바이오마커 발굴을 가능케 해 NAM의 효과를 극대화하는 도구로 주목받고 있다.
기술 성숙도 : 홀로토모그래피를 포함한 고해상도 세포 이미징 분야는 상용 장비가 출시되면서 연구현장에서 활용이 증가하고 있다.
예를 들어 스위스의 Nanolive社, 한국의 Tomocube社 등이 홀로토모그래피 현미경을 출시하여 생물학 연구자들에게 판매하고 있고,
제약사들도 고내용량 이미징(HCA) 플랫폼으로 도입하고 있다.
해당 기술들은 수백 nm 수준의 해상도로 세포 소기관까지 볼 수 있고,
수분 간격의 시간해상도로 며칠간 연속 촬영이 가능하여 세포 변화 추적에 유용하다.
또한 AI 영상분석 소프트웨어와 결합해 정량 지표를 뽑아내는 체계도 갖춰지고 있다.
전반적으로 이미 상용화되어 널리 쓰이는 수준이며, 계속 성능을 개선하고 있다.
재현성과 표준화 : 이미징 기술 그 자체는 물리적 장비이므로 재현성이 높다.
이미지 해석의 표준화는 과제로 남아 있으나 이제 사람의 눈에 의존하던 현미경 판독을 벗어나,
AI 알고리즘이 일관된 기준으로 세포 형태 변화를 해석하도록 하는 시도가 진행중이다.
예를 들어 세포가 죽을 때 나타나는 굴절율 변화 패턴을 AI가 인식해 세포사멸 유형(예: 괴사 vs 세포자살)을 자동분류할 수 있다.
이러한 영상 판독 표준 알고리즘이 마련되면, 고해상도 이미징 데이터의 재현성과 신뢰성은 더욱 높아질 것이다.
이미 GLP 환경에서 HCA(High Content Analysis)를 적용하는 사례도 있어,기술적 재현성은 입증되고 있다.
비용 : 고성능 이미징 장비는 초기 도입비가 매우 높다.
레이저 간섭계를 탑재한 홀로토모그래피 현미경 한 대가 수억 원에 달한다.
그러나 세포를 염색할 시약도 불필요하고, 촬영에 드는 건 전기와 인력 시간 정도로, 운영 비용은 낮은 편이다.
따라서 일단 장비를 갖추면 대량의 샘플을 저비용으로 분석할 수 있다.
동물실험은 개체 유지비, 사육비 등이 크고 시료 수가 제한되지만, 세포 이미징은 한 장비로 하루에도 수백 샘플을 찍어 데이터화할 수 있어 데이터 양 대비 비용 효율이 높다.
규제 수용성 : 고해상도 이미징은 시험 방법이라기보단 분석 수단이기 때문에 직접적인 규제 승인은 논의 대상이 아니다.
규제 제출 자료에 이미징 기반 결과를 포함하는 일은 늘고 있다.
세포독성 시험에서 단순 생사여부 대신 고용량 이미지로 세포 형태 변화를 정량화한 데이터를 제출하면 근거를 강화할 수 있다.
OECD 시험지침 중에도 현미경 평가를 일부 포함한 세포시험법이 있고,
최근에는 라벨프리(label-free) 분석의 이점이 알려지며 규제당국 관심도도 증가하고 있다.
특히 신경독성 같이 정량 지표 설정이 어려운 분야는 이러한 이미징 기반 정량화가 도움이 된다.
직접적인 규제 승인 사례는 없지만, NAM의 성과를 뒷받침하는 증거자료로서 활용되고 있다.
적합한 적용 분야 : 고해상도 이미징은 다양한 세포 수준 현상의 정밀 분석에 활용된다.
예를 들어 홀로토모그래피를 통해 세포가 약물 처리 후 부풀어오르는지,
소기관 배치가 재편되는지 등을 실시간으로 추적함으로써 약물 독성 기전을 파악한다.
면역세포와 암세포 상호작용도 3D로 관찰하여 면역항암제 작용여부를 분석할 수 있다.
세포 내부 물질농도(굴절률 분포)를 계량화하여 지방독성을 감시하거나,
핵의 응축 정도로 세포 스트레스 반응을 지표화한다.
이러한 정량 이미징은 새로운 바이오마커 발굴 수단이 되어,
동물시험에서는 얻을 수 없던 세부 정보까지 고려한 약물 안정성 평가를 가능케한다.
오가노이드나 장기칩 내부를 들여다보는 데에도 3D 이미징이 필수적이어서,
결국 다른 NAM들과 결합하여 그들의 결과 정확도를 높여주는 시너지 기술이라고 할 수 있다.
기타 인정되는 NAM 기술군
위에서 다룬 것 외에도 여러 동물대체 접근법이 국내외 기관에서 인정되고 있다.
OECD 독성시험 가이드라인에는 이미 여러 동물대체 시험법들이 등재되어 있으며,
화장품·화학물질 분야에서 널리 사용된다.
예를 들어 피부 부식·자극 시험을 위한 재구성 인간 피부모델(EpiDerm 등), 피부 감작성 시험을 위한 시험관 단백질 결합 시험(DPRA)이나 세포 활성화 시험(KeratinoSens, h-CLAT) 등이 공식 승인되어 동물 대신 활용되고 있다.
안구 자극 시험에도 정제된 단백질 혼탁도 측정법(BCOP)이나 인공각막 모델이 사용된다.
이러한 시험관 화학분석, 기존 2D 세포 기반 시험들도 넓은 의미의 NAM에 포함된다.
또한 전임상 마이크로도징(microdosing) 또는 임상0상(Phase 0)이라 불리는 기법도 있다.
극소량의 신약 후보를 인간에게 투여하여 초기 약동학과 안전성을 파악하는 방법으로,
일부 경우 동물실험을 줄이는 전략으로 활용된다.
생체 외(ex vivo) 인체 조직 활용도 NAM의 일종이다.
수술 후 남은 조직이나 공여된 인체 장기 일부를 시험관에서 배양하여 약물 반응을 보는 것으로,
예를 들면 인간 간 조직 슬라이스를 이용한 약물대사 독성 평가 등이 있다.
이는 실제 인간 조직이므로 예측력이 높지만, 공급이 제한적이라는 단점이 있다.
정리하면, NAMs에는 다양한 층위의 기술들이 포괄된다.
세포/조직 수준의 시험관 대체법,
컴퓨터를 활용한 실리코 모델,
소량 인체투여 같은 임상 대체법 등이 서로 보완적으로 쓰이며,
궁극적으로 동물 사용을 줄이고 인간 예측성을 높이는 목표를 공유하고 있다.
따라서 토모큐브가 오가노이드 관련주로 알려져 있는 상황이지만,
사실 동물실험 대체로 다양한 NAMs 중 어느 방식의 채택률이 높아지더라도 홀로토모그래피는 다른 NAM들과 결합하여 결과 정확도를 높여주는 시너지 기술로서 수요가 늘 수밖에 없다.
이에 대해 좀 더 구체적으로 알아보도록 하겠다.
다양한 NAMs에서 홀로토모그래피 기술 활용 사례
홀로토모그래피(Holotomography)는 레이저 또는 LED 광원을 이용해 살아있는 세포나 조직의 굴절률 분포를 3차원으로 측정하는 기술로,
라벨링 없이 생체시료의 구조와 변화를 실시간 관찰할 수 있는 첨단 현미경 기법이다.
토모큐브(Tomocube)는 이 분야의 선도 기업으로, HT 시리즈 현미경을 통해 해당 기술을 상용화하였다.
오가노이드(organoid) 연구에서 이미 활발히 쓰이고 있다는 전제 하에, 오가노이드 이외의 동물대체 실험 플랫폼에서도 과연 이 기술이 쓰이고 있는지 살펴보면,
Organ-on-Chip, 3D 바이오프린팅, iPSC 세포모델 등 여러 분야에서 실제 활용 사례가 있다.
Organ-on-Chip
홀로토모그래피는 이식된 장기칩 내부를 비파괴적으로 들여다볼 수 있는 3D 영상화 도구로 각광받는다.
싱가포르 국립대 등의 연구에서는 장(腸) 오가노이드와 장내 미생물을 칩 위에서 공배양한 모델을 홀로토모그래피로 관찰하여, 장 조직 내부에 정착한 세균의 3차원 분포와 오가노이드 구조를 실시간으로 파악하였다perlan.com.plperlan.com.pl. 이처럼 투명한 장기칩 내부의 세포∙미생물 상호작용을 염색 없이 규명할 수 있다는 점은, 기존의 2D 현미경이나 형광기법으로는 얻기 어려운 독보적 정보를 제공한다. 또 다른 사례로, 국내 연구팀이 간 유사체(hepatic organoid)를 칩에 배양하여 약물 반응을 평가할 때, 홀로토모그래피로 간세포 내 지질소체 형성 등 독성 지표를 정량화한 연구가 보고되었다. 이러한 활용은 Organ-on-Chip의 효능∙안전성 평가에서 홀로토모그래피가 핵심 모니터링 툴이 될 잠재력을 보여준다.
3D 바이오프린팅 분야: 3D 바이오프린팅은 생체잉크로 인공조직을 적층 제조하는 기술로, 인공장기나 조직모델 제작에 쓰인다. 이 분야에서도 홀로토모그래피가 출력된 3D 조직의 품질과 세포상태를 검사하는 데 활용되고 있다. 한 예로 2025년 Advanced Materials에 발표된 연구에서는, 빛을 이용한 초고속 3D 프린팅으로 세포생존 조직을 제작한 후, 출력된 조직 내부의 광산물질 분포와 투과도 변화를 홀로토모그래피로 확인하였다advanced.onlinelibrary.wiley.com. 연구진은 인쇄 과정 중 굴절률 지표를 조정하여 조직 투명도를 향상시켰는데, 그 효과를 라벨-프리 방식의 홀로토모그래피 영상으로 검증한 것이다 (Wiley 연구). 또한 *국제 조직공학 학회(TERMIS 2025)*에서 발표된 한 초록에 따르면, 출력된 연골 조직의 빛 투과 특성을 홀로토모그래피로 측정해 세포 생존과 매트릭스 균질도를 평가했다고 한다. 이런 사례들은 3D 바이오프린팅된 생체구조물의 비파괴 검사(NDT) 수단으로 홀로토모그래피가 유용함을 시사한다. 즉, 기존에는 조직을 염색하거나 절편을 떠서 내부를 분석해야 했던 것을, 홀로토모그래피로 실시간 내부 관찰 및 정량화가 가능해져 바이오프린팅 제품의 품질관리에 혁신을 가져올 수 있다.
iPSC 세포모델 및 기타 3D 세포배양: 유도만능줄기세포(iPSC)나 중간엽줄기세포(MSC) 등으로부터 유래한 3차원 세포배양 모델에서도 홀로토모그래피 활용이 보고된다. 줄기세포를 분화시켜 조직세포로 만들 때, 과정 중 세포의 형태 변화, 세포내 소기관 발달, 축적물 형성 등을 실시간 계측하는 데 적합하기 때문이다. 실제로 2024년 한 연구는 제대혈 유래 줄기세포를 지방세포로 분화시키면서, 세포 내 지질방울(lipid droplet)의 굴절률 변화를 홀로토모그래피로 측정하여 분화 단계별 정량 분석을 수행했다sciencedirect.com. 이는 라만분광 또는 형광 염색 없이 순수하게 굴절률 데이터만으로 세포의 지방축적 정도를 파악한 것으로, 향후 세포치료제 생산 공정의 세포품질 모니터링 등에 응용될 수 있다. 또한 iPSC 집락(colony) 자체를 3D로 촬영한 사례도 있다. 토모큐브사에서 공개한 데모 영상에 따르면, 수백 개의 iPSC로 이루어진 콜로니를 3차원 전체 시야로 스캔하여 각 세포의 핵, 세포질 구조를 영상화하는 데 성공했다 (Tomocube 제공). 이처럼 홀로토모그래피는 줄기세포 배양부터 분화, 조직화에 이르는 전 단계에서 세포동태를 추적할 수 있으며, 나아가 병리 모델 (예: 암 오가노이드의 세포사멸 유형 분석 등)에서도 응용되어 세포사멸 경로를 라벨 프리로 구분하는 연구도 진행되고 있다accscience.com. 종합하면, 오가노이드뿐 아니라 다양한 차세대 인비트로(in vitro) 실험 플랫폼에서 홀로토모그래피 기술이 유용한 도구로 채택되고 있음을 알 수 있다.
以上의 사례들은 모두 동물실험을 대체하는 실험계에서 홀로토모그래피가 핵심적인 관찰∙분석 수단으로 자리잡고 있음을 보여준다. 투자 관점에서 이는 두 가지 의미가 있다. 첫째, 향후 동물대체 기술 보급이 확산될수록 홀로토모그래피 장비 수요가 동반 증가할 가능성이다. 실제로 Organ-on-Chip이나 오가노이드 분야의 성장률이 두 자릿수를 기록하고 있는 가운데, 해당 연구에 필수적인 라이브셀 3D 이미징 시장도 동반 성장할 것으로 보인다. 둘째, 경쟁 기술 대비 우위이다. 예컨대 동일한 label-free 3D 현미경으로 디지털 위상차 현미경(QPI) 제품들이 있으나, 정밀도와 응용 분야 다양성 면에서 홀로토모그래피의 선점 효과가 나타나고 있다pharm.edaily.co.kr. 특히 토모큐브는 세계 최고 수준의 기술력으로 시장을 개척하여 관련 분야에서 표준 장비로 자리잡을 가능성이 높다 (Eugene투자증권 분석). 결론적으로, 동물실험 대체 패러다임의 수혜를 입는 기술로서 홀로토모그래피 현미경에 주목할 필요가 있다. 이를 보유한 토모큐브 같은 기업은 첨단 바이오 연구 인프라 확충 흐름에 따라 안정적 성장동력을 확보할 것으로 기대된다.
오가노이드 기술의 우위 및 한계 (비교 분석)
앞서 다양한 동물대체 기술들을 살펴보았는데, 이들 중 어느 하나가 “가장 우수”하다고 단정짓기는 어렵고, 적용 목적에 따라 장단점이 갈린다.
오가노이드 기술은 분명히 동물대체 분야의 게임체인저로 주목받고 있으나,
다른 기술들과 보완적 관계에 있다.
다음에서는 오가노이드의 상대적 우위와 한계를 다른 NAM들과의 비교 속에서 분석하겠다.
1. 인간 생체적합성 측면: 오가노이드는 인간의 세포들이 자연스러운 3D 구조로 조직화되어 있어 생체적합성이 가장 높은 축에 듭니다. 특히 다세포 구성과 3차원 미세환경이 반영되므로, 단일세포나 2D 배양보다 인체와 유사한 조직 반응을 재현합니다[20]. 이는 Organ-on-Chip도 인간세포를 쓰지만 대개 단일세포층이거나 단순화된 구조인 것과 대비됩니다. 예를 들어, 간 오가노이드는 간세포 외에 담관세포 등 여러 세포가 포함돼 간소엽 구조를 모사하지만, 간-칩은 주로 간세포에 혈류를 흘려보내는 형태로 다세포 다양성은 떨어질 수 있습니다. 이처럼 조직 고유의 복잡성을 자체적으로 형성하는 오가노이드의 강점 덕분에, 암, 뇌질환 등 복잡계 질환 모델링에 특히 유리합니다. 반면 AI 인실리코 모델은 생물학적 세부를 수식화한 것이어서 새로운 생물학적 발견에는 한계가 있지만, 오가노이드는 예상치 못한 인간 생물학적 현상도 나타내 주는 장점이 있습니다. 다만, 오가노이드도 혈관, 면역계 등이 충분치 않아 전체 생리반응을 모두 재현하지는 못하므로, 미세혈관이나 면역세포를 포함한 장기-칩과 결합하는 노력이 진행 중입니다.
2. 기술적 성숙도와 편의성: 오가노이드와 장기-칩을 비교하면, 오가노이드가 연구현장에서 더 쉽게 활용됩니다. 복잡한 장치를 필요로 하지 않고, 세포 배양만으로 만들 수 있으므로 접근성이 높습니다. 이미 많은 생물학 연구실에서 오가노이드 배양 기술을 보유하고 있으며, 데이터 축적량도 오가노이드 쪽이 더 많습니다. 또한 iPSC 기반으로 대량생산도 비교적 수월하여, 원하는 환자유래 오가노이드를 대규모로 확보하기도 용이합니다. 이 점에서 오가노이드가 기술 성숙도와 활용 경험 측면에서 우위에 있습니다. 그러나 재현성 면에서는 앞서 언급한 대로 아직 표준화 과제가 있고, 이 부분은 **정교한 제어가 가능한 장기-칩이 개선 여지가 큽니다[9]. 즉, 오가노이드는 자유도가 높아 편리하지만 그만큼 변동성이 있고, 장기-칩은 제어로 일관성을 높일 수 있으나 시스템이 복잡한 딜레마 관계입니다.
3. 적용 분야에 따른 최적 기술: 약물 독성 평가에서는 오가노이드와 장기-칩 모두 활용되나, 급성 독성 등 단기 평가는 장기-칩이 유리할 수 있습니다. 유체흐름 등 스트레스를 줄 수 있어 약물 분포와 노출을 현실에 가깝게 만들고, 연속적 모니터링도 가능하기 때문입니다[37]. 반면 만성 독성이나 발달 독성처럼 오랜 기간 관찰이 필요하고 다세포 상호작용이 중요한 경우, 오가노이드 (예: 뇌 오가노이드로 신경발달 독성 평가)가 더 적합할 수 있습니다[65]. 약효 검증에서는, 표적 질환 모델을 만드는 데 오가노이드가 뛰어납니다. 예를 들어 환자 유래 종양오가노이드로 여러 항암제를 시험해 민감도를 보는 것이 이상형종(mouse xenograft) 모델보다 예측력이 높다는 보고들이 늘고 있습니다. 반면 전신적인 약효(여러 장기의 상호작용을 통한 효과)는 오가노이드 하나로는 볼 수 없으므로, 멀티 Organ-on-Chip 접근이 필요합니다. 또한 고처리량 스크리닝에는 현재까지 인실리코 모델이나 2D 세포 기반 자동화가 강세이고, 오가노이드/칩은 throughput이 제한적입니다. 이를 극복하려고 오가노이드 고밀도 배양 (오가노이드당 소형화)과 칩 병렬화 등 연구가 진행 중입니다.
4. 비용 및 효율: 비용 관점에서 AI 인실리코는 단연 효율적이고, 오가노이드와 장기-칩은 현 단계에선 비용이 높은 편입니다. 그러나 정확한 인간 예측이라는 가치 면에서 효율을 따진다면, 동물실험 대비 오가노이드/칩은 정보당 비용이 낮을 수도 있습니다[30]. 특히 실패율을 낮춰 후속 임상비용을 절감시킬 수 있다는 점이 중요합니다. 여러 모델 중 경제성에서 두드러진 우위가 있는 것은 없지만, 인실리코+간단 in vitro로 대량 필터링 → 소수 후보를 오가노이드/칩으로 정밀평가하는 멀티 NAM 연계 전략이 비용-효율 최적화 조합으로 부상하고 있습니다[66][49]. 오가노이드는 이 연계에서 중요한 정밀평가 단계를 맡게 될 가능성이 높습니다.
5. 규제 및 향후 전망: FDA Modernization Act 2.0 이후 규제기관들은 어떤 기술도 과학적으로 타당성만 입증된다면 받아들이겠다는 입장입니다. 이 경쟁에서 오가노이드와 장기-칩이 가장 유력한 후보로 꼽히고 있습니다[6]. NCATS(미 NIH 산하 번역과학센터)는 오래 전부터 Tissue Chip 프로그램을 운영해 왔고, 최근에는 Organoids-on-Chips로 대표되는 MPS 컨소시엄을 확대하며, 오가노이드와 칩 기술 모두 지원하고 있습니다. Tox21 프로그램도 초기에는 간단한 2D 세포·리포터 위주였으나, 새 전략에서 iPSC 유래 3D 세포모델 등 복잡계 모델 개발을 목표로 하고 있습니다[53]. 이는 오가노이드 같은 고도화된 in vitro 모델이 대규모 독성평가에도 필요함을 보여줍니다. FDA도 워크숍과 가이드라인 개정을 통해 오가노이드의 역할을 논의하고 있으며, 업계에서는 “환자유래 오가노이드로 임상시험을 대체하거나 축소”하는 미래를 그리고 있습니다. 다만 규제 신뢰성 확보를 위해, 오가노이드로 도출한 결과가 인체 임상 결과와 일치한다는 증거를 더 축적해야 합니다[15]. 또한 오가노이드 자체의 한계(예: 면역계 부재)를 인지하고, 필요 시 면역세포와 공배양하거나 마이크로플루이딕스로 연결해 보완하는 식으로 기술 융합이 이뤄질 것입니다[67][68].
결론적으로, 오가노이드 기술은 동물실험 대체 분야의 핵심 축으로서 많은 우위를 지니지만, 단독으로 모든 분야를 석권하기보다는 다른 NAM들과 상호보완적으로 발전하고 있습니다. 인체생물학의 복잡성을 상당 부분 재현한다는 점에서 인공장기 모델 중 가장 유망하며[20], 특히 인간환자 개별화된 모델을 제공한다는 강점으로 정밀의학 시대에 필수적인 도구가 될 것입니다. 그러나 재현성, 표준화, 스케일업 등의 기술적 한계를 개선해야 하며, 장기-칩, 인실리코 AI 등과 결합해 약점은 보완하고 강점은 살리는 전략이 필요합니다[68][69]. 현대화 법안 2.0 등 정책 변화로 혁신에 대한 문은 열렸고, 이제 어떤 NAM이 실제 신약개발 패러다임을 바꿀지 경쟁과 검증의 과정에 있습니다. 이 가운데 오가노이드가 보여주는 높은 인간 유사도는 규제 논의에서도 그 비중이 커지고 있으며, 과학적 타당성만 입증된다면 오가노이드 기반 데이터가 신약 심사에서 중요한 역할을 할 것으로 전망됩니다[8][30]. 결국 동물실험 완전 대체는 한 가지 기술로 이루어지지 않고, 오가노이드 같은 생체모사 시스템을 중심으로 여러 NAMs 및 전산기법을 통합하여 달성될 것입니다[69]. 이러한 통합적 접근(integrated approach) 속에서 오가노이드는 “인 비트로시(in vivitro-si)” 전략의 핵심으로 자리매김하고 있습니다[69].
토모큐브의 BM
토모큐브의 주력 제품은 홀로토모그래피 현미경 장비(HT-2H, HT-X1 시리즈)와 3D 이미지 분석용 소프트웨어다.
’16년 첫 제품 HT-1 시리즈 출시 이후 2세대 제품인 HT-2H(형광이미징 결합 모델), ’23년 출시된 HT-X1 등이 상용화되어 있다.
HT-X1은 세계 최초의 2세대 홀로토모그래피 현미경으로서 레이저 대신 LED 광원을 적용하여 노이즈를 줄이고 멀티웰 플레이트 호환성을 높이는 등 연구용에서 산업용으로의 활용도를 크게 향상시켰다.
토모큐브는 축적된 3D 세포 영상 데이터를 활용한 AI 분석 솔루션 사업으로의 확장도 추진하고 있다.
현재는 장비 매출 비중이 높으나, 향후 이미지 분석 소프트웨어를 구독형 서비스로 제공하여 신약 개발의 독성 평가, 세포 진단 등의 분야에서 부가가치를 창출할 계획이다.
한편, 토모큐브는 반도체·디스플레이 등 비바이오 분야 확장을 통해 외연 성장을 모색하고 있다.
홀로토모그래피를 이용한 3D 검사 기술을 산업용 계측장비로 발전시켜 웨이퍼 미세결함 검사나 디스플레이 패널 검사 등에 활용할 수 있으며, 산업용 분석 시장으로의 진출도 추진 중이다.
회사는 ’25년 비바이오 매출 비중 20%를 목표로 제시하며,
향후 5년 내 산업계 매출이 절반 이상을 차지하도록 노력하고 있다.
성장성
토모큐브의 타겟 시장과 성장 비전
토모큐브는 아직 매출 규모는 작지만 향후 수년간 가파른 성장세가 기대된다.
시장은 현재 초기 단계인 시장이 글로벌 제약사들의 도입 본격화로 HT 장비 판매 대수가 급증하며 ‘27년까지 연 60~80% 이상의 폭발적 매출 성장을 전망한다.
회사도 이에 대비해 연간 생산능력을 70대 → 300대로 4배 확대하는 증설 투자를 진행 중이다.
암치료 혁신 이끌 원천기술 소개…토모큐브, 차세대 플랫폼 ‘시선집중’ – 아시아경제

’25년 1월에는 토모큐브가 글로벌 톱티어 제약사와 오가노이드 분석법 공동 개발 계약을 체결하여 ’26년 하반기까지 새로운 분석 기법을 개발 중이다.
빅파마와의 협업 성과는 개발 완료 후 해당 제약사의 연구소에 HT 장비를 대량 공급하는 계기로 이어질 수 있고, 다른 제약사들로의 레퍼런스 효과도 클 것으로 기대된다.

회사는 다수의 글로벌 제약사와 다양한 협업을 통해 오가노이드 3D 이미징 국제 표준화를 주도하여 전세계 제약사들을 고객으로 확보한다는 성장 내러티브를 보유하고 있다.

세계적으로 토모큐브 장비를 활용하여 200편 이상의 학술 논문이 발표되었다.
Tomocube, Insights From the Customer ‘Holotomography 2.0’ – 바이오스펙테이터

그리고 50개국 200개 이상 기관에서 토모큐브 장비를 연구용으로 도입하고 있다.
[특징주]FDA “동물실험 대신 AI”…관련주 급등 – 아시아경제

이러한 레퍼런스 증가는 신뢰도를 높여 다른 제약사/연구소의 도입 결정에 중요한 역할을 한다.
현 시점에는 매출 기반이 좁아 변동성이 있지만,
예상대로 시장이 개화한다면 성장을 통한 규모의 경제 달성이 가능하다.
FDA의 규제 완화 일정, 주요 고객군의 투자 결정 지연시 성장 속도는 늦춰질 수 있으나,
성장의 방향성은 정해진 것으로 볼 수 있어 장기투자 대안으로 유효한 것으로 평가할 수 있다.
동물 실험 의무 폐지 메가트렌드
미국의 동물 실험 의무 폐지
토모큐브는 동물실험 의무 폐지라는 규제 환경 변화 메가트렌드에 직접적인 수혜를 받는다.
’22년말 미국 FDA Modernization Act 2.0 법안 통과로 신약 전임상에서 동물실험 요구조항이 삭제되었고,
’25년 FDA는 “앞으로 3~5년에 걸쳐 동물실험을 예외적 경우로 만들겠다”는 계획을 발표했다.
실제로 ‘26년부터 일부 항체신약 개발에 비(非)동물 대체시험 허용 파일럿 프로그램이 예고되는 등, 독성 평가에 있어 동물 대신 인체 유래 모델을 활용하는 시대가 열리고 있다.
미국 외 국가의 동물 실험 의무 폐지 현황
세계 제약시장 상위권에 위치한 유럽연합(EU), 중국, 일본 등에서는 윤리적∙과학적 근거를 바탕으로 동물실험을 폐지하거나 제한하려는 움직임이 활발히 진행되고 있다. 이러한 흐름은 동물 복지 향상과 인간에 더 적합한 대체시험법 개발 요구에 따른 것으로, 각국의 규제 변화 속도가 투자 지형에 영향을 미치고 있다.
유럽: EU는 화장품 분야에서 가장 선도적 조치를 취하여, 2009년 원료 동물시험을 금지하고 2013년부터 모든 화장품에 대한 동물실험 및 동물실험 제품의 판매를 전면 금지했다single-market-economy.ec.europa.eu (European Commission). 더 나아가 EU 의회는 2021년 동물실험 완전 종료를 위한 결의안을 채택하며, 모든 산업에서 장기적으로 동물실험을 단계적으로 폐지하도록 집행위원회에 요구했다. 이에 따라 EU 집행위원회는 2023년 “Cruelty Free Europe” 시민발의를 받아들여 2026년 1분기까지 동물실험 폐지를 위한 로드맵을 마련하겠다고 공식 확인했다eunews.iteunews.it. 이 로드맵은 화학물질의 안전성 평가를 시작으로 관련 법규 (예: REACH 규정) 개정을 통해 대체시험 방법을 통합하는 계획을 담고 있으며, 2026년 로드맵 발표 후에도 대체법 개발·검증에 수년이 소요되는 점을 감안하여 점진적 시행을 예고했다eunews.iteunews.it. 즉, EU는 최종적으로 “동물실험 제로(Zero)” 체제로 가는 것을 목표로 하되, 과학적으로 신뢰할 수 있는 대체시험법 확보에 맞추어 단계별로 규제를 강화하는 전략을 취하고 있다 (European Commission). 이러한 EU의 정책 선도는 동물대체 기술 수요를 크게 창출하는 요인으로 평가된다.
중국: 중국은 전통적으로 화장품 분야에서 동물실험 요구가 엄격했으나, 21.5월부터 중국 국가약품감독관리국(NMPA)은 일정 조건을 충족하는 경우 일반 화장품에 한해 동물실험 면제를 허용하는 상당한 완화 조치를 내놓았다.
이러한 신약개발 패러다임 전환 속에서 가장 주목받는 대안이 바로 오가노이드와 AI 예측모델 등 인간 중심의 신규 접근 방법(NAMs)이며,
토모큐브의 홀로토모그래피는 오가노이드 분석을 가능하게 하는 필수 인프라 기술로 주목받고 있다.
오가노이드를 자르지 않고 염색 없이 관찰할 수 있는 현미경은 홀로토모그래피가 유일하며,
동물 대신 사람 오가노이드에 약물을 투여한 뒤 홀로토모그래피로 이미지를 찍어 약효와 독성을 평가하는 신약개발이 조만간 가능해질 것으로 전망된다.
머크(Merck)는 ’22년 말 네덜란드의 오가노이드 기업 HUB(휘브레흐트 오가노이드 테크놀로지)를 인수하는 등 빅파마들의 오가노이드 R&D 투자가 활발하다.
글로벌 제약사 로슈(Roche)는 기존 동물시험으로 확인하지 못한 신약 후보물질의 독성을 인간화 오가노이드에 홀로토모그래피로 투과관찰하여 발견해내고, ’23년 IHB라는 오가노이드 연구소를 설립하였다.
이러한 동물실험 대체법 표준화 흐름 속에서 토모큐브는 필수 장비 공급자로서 막대한 수혜를 입을 것으로 기대된다.
경제적 해자
토모큐브가 보유한 **경제적 해자(Competitive Moat)**는 앞서 언급한 원천특허 기술력과 선도적 시장 지위에서 나옵니다. 현미경 업계에서 토모큐브와 유사한 솔루션을 제공하는 경쟁사를 글로벌하게 살펴보면, **스위스의 나노라이브(Nanolive)**가 가장 직접적인 경쟁 상대로 거론됩니다biospectator.compharm.edaily.co.kr. 나노라이브는 2010년대 중반 토모큐브와 비슷한 홀로토모그래피 1세대 기술을 최초로 상용화한 업체로, 3D 홀로그래피 현미경인 “3D Cell Explorer” 등을 판매하고 있습니다. 그러나 나노라이브 장비는 복잡한 레이저 기반 광학계로 구성되어 사용이 비교적 까다롭고, 촬영 과정이 여러 단계로 나뉘어 있어 실험 효율이 떨어진다는 평가를 받습니다pharm.edaily.co.kr. 특히 두꺼운 오가노이드 시료를 관찰하기 어려운 단점이 지적되어 왔는데, 토모큐브는 이러한 문제를 해결한 2세대 기술을 세계 최초로 선보이며 원클릭으로 두꺼운 3D 시료 촬영이 가능해졌습니다pharm.edaily.co.kr. 실제로 토모큐브의 최신 HT-X1 Max 모델(2025년 출시 예정)은 500μm급 대형 오가노이드까지 커버 가능한 업계 유일 장비로 개발되고 있으며w4.kirs.or.kr, 멀티 광원 기술로 측정 가능한 두께 범위를 기존 대비 2배 이상 늘렸습니다pharm.edaily.co.kr. 반면 경쟁사들은 아직 이러한 수준에 미치지 못해 얇은 시료 위주로만 분석 가능하거나 일부 기능(예: 멀티웰 플레이트 호환 등)에서 제약이 있습니다biospectator.com. 다시 말해 **“오가노이드를 썰지 않고, 염색 없이 볼 수 있는 현미경은 홀로토모그래피가 유일”**하다는 업계의 평가처럼pharm.edaily.co.kr, 현재 토모큐브 기술을 완전히 대체할만한 경쟁 기술은 부재한 상황입니다.
다른 경쟁 솔루션으로는 전통적인 형광 공초점 현미경이나 라이트시트 현미경 등이 있습니다. 독일 Zeiss 등의 업체가 판매하는 라이트시트(Light-sheet) 현미경은 살아있는 생물을 3D로 촬영할 수 있지만pharm.edaily.co.kr, 시료를 형광표지 해야 하고 시료 손상 및 광독성 문제로 장시간 동적 관찰에 한계가 있습니다. 공초점 현미경 역시 고해상도 3D 이미징은 가능하나 염색 과정으로 인한 세포 변형과 관찰 시간이 제한적이라는 문제가 있습니다pharm.edaily.co.kr. 이와 비교할 때 토모큐브 HT 기술은 비표지 방식으로 수일 이상 세포를 추적할 수 있고, 정량적인 굴절률 데이터 산출이 가능하다는 강점이 있습니다asiae.co.kr. 즉 생체 시료의 “있는 그대로” 상태를 관찰하면서 동시에 AI를 통한 정밀 분석(예: 세포 부피, 굴절률 분포 정량화 등)이 이루어지므로, 데이터의 깊이와 신뢰도 측면에서 경쟁 우위를 가집니다asiae.co.kr.
또 다른 잠재 경쟁군으로 디지털 홀로그래픽 현미경(DHM) 분야의 업체들이 있습니다. 스위스의 LynceeTec, 스웨덴의 PHI(Phase Holographic Imaging), 벨기에의 Ovizio 등이 레이블프리 위상영상 기술을 보유하여 세포 관찰 솔루션을 제공하고 있습니다. 그러나 이들 대부분은 2차원 위상 영상이나 제한적인 3D 분석만 지원하거나, 세포 배양 공정 모니터링 등 특정 용도에 집중되어 있어 토모큐브의 전방위적인 3D 분석 능력과는 차별화됩니다pharm.edaily.co.kr. 예를 들어 PHI社의 홀로모니터(HoloMonitor)는 세포 증식 추적 등의 용도로 쓰이는 소형 기기이고, LynceeTec의 DHM은 주로 물리계측이나 2D/표면 관찰에 강점이 있는 반면, 토모큐브 HT는 세포 내부 입체구조까지 재구성하는 정밀함을 갖추고 있습니다. 더욱이 토모큐브는 NIH 협력을 통해 오가노이드 분야 국제표준화를 선도하고 있기 때문에asiae.co.kr, 향후 표준 채택에 따른 네트워크 효과까지 기대할 수 있습니다. 만약 토모큐브 장비로 생성된 데이터 포맷과 분석방법이 규제기관이나 업계 표준이 된다면, 후발 경쟁자들은 해당 에코시스템에 진입하기 어려워지는 진입장벽이 생깁니다. 이처럼 특허 보호, 기술격차, 표준화 선점, 데이터 누적 등이 어우러져 토모큐브는 견고한 경제적 해자를 구축해가고 있습니다.
협상력
현재 토모큐브는 매출 성장 대비 수익성은 미흡한 초기 단계 기업입니다. 아직 매출 규모가 작아 2023년까지 계속 적자를 기록하고 있으며, 2025년 1분기 연결 매출도 약 6억 원 수준에 그쳐 영업손실이 이어졌습니다m.thinkpool.com. 2024년 연간 매출도 약 60억 원으로 크지 않고asiae.co.kr, R&D와 인력 투자를 고려하면 영업이익 흑자 전환은 아직 이루어지지 않았습니다. 다만 회사는 **“2026년을 손익분기 원년으로 기대”**하고 있으며, 매출이 본격 확대되는 2026년 이후에는 흑자 전환이 가능할 것으로 전망하고 있습니다edaily.co.kr. 이는 앞서 언급한 성장 모멘텀이 현실화되면서 고정비 레버리지 효과가 나타날 것이란 기대와 맥을 같이 합니다. 특히 2025~27년 기간에 매출이 급증하면 생산 규모 확대에 따른 단위당 원가 절감과 판관비 효율화로 영업이익률이 빠르게 개선될 수 있습니다comp.fnguide.com.
토모큐브의 **매출총이익률(GPM)**은 정확한 공시 수치는 알려져 있지 않으나, 동종 산업 특성을 고려하면 상당히 높은 수준일 것으로 추정됩니다. 예를 들어 유사하게 첨단 계측장비를 판매하는 파크시스템스의 최근 12개월 **GPM은 약 66%**에 달하고finbox.com, 동사(同社) 역시 초기에는 적자였으나 고부가가치 제품 판매로 높은 마진을 유지하며 성장했습니다. 토모큐브의 경우도 HT 장비 한 대 가격이 약 3억 원 수준으로 매우 고가이고pharm.edaily.co.kr, 2025년에 출시될 3세대 **HT-X1 Max는 가격을 2배 이상(예상 6~7억 원대)**으로 책정할 계획입니다pharm.edaily.co.kr. 이처럼 기술 독점적 제품은 가격 결정력을 갖고 있기 때문에, 일정 생산량만 확보되면 높은 마진을 실현할 수 있습니다. 실제로 토모큐브는 솔루션 단가를 유지하면서도 향후 AI 소프트웨어 구독료 등 부가 매출원을 추가하여 복합 마진 구조를 만들 계획인데pharm.edaily.co.krpharm.edaily.co.kr, 이는 수익성에 긍정적인 요소입니다. 다만 단기적으로는 연구개발 투자와 글로벌 마케팅 비용이 상당하여 영업적자가 불가피합니다. 또 생산량 확대를 위한 설비투자, 인력충원으로 고정비 증가도 있었습니다asiae.co.kr. 하지만 이러한 투자는 미래 성장 대비 선제적 비용으로 볼 수 있으며, 규모의 경제 달성 시 급격한 수익성 개선으로 이어질 수 있습니다. 요약하면 현 시점 수익성 지표는 낮지만, 제품의 높은 GPM과 향후 매출 급성장 잠재력을 감안하면 수익 성장 체력은 충분히 갖추고 있는 상태라고 평가할 수 있습니다.
또한 협상력 측면에서, 토모큐브는 독자 기술을 보유한 유일 공급자이기에 가격 협상력이 상당히 우위인 편입니다. 현재 글로벌 빅파마 등 주요 고객들은 대안이 없으므로 토모큐브 장비를 프리미엄 가격에 구매하고 있으며, 향후 표준 장비로 자리잡을 경우 가격 인하 압박 없이 안정적인 마진을 유지할 가능성이 높습니다asiae.co.kr. 게다가 애프터서비스, 소모품, 소프트웨어 업그레이드 등으로 추가 매출을 올리며 고객 락인 효과를 높일 수 있어 장기적인 수익 기반도 견고해질 전망입니다. 이처럼 토모큐브는 고마진의 제품 포트폴리오와 기술적 독점력을 바탕으로 향후 이익 성장의 레버리지를 크게 일으킬 수 있는 구조입니다.
자본배치
밸류에이션
현재 토모큐브의 주가 밸류에이션은 전통적인 지표로 보면 높게 느껴지지만, 이는 향후 성장성을 선반영한 것입니다. 2023년 IPO 당시 적자기업임에도 불구하고 공모가 기준 시가총액 약 1,700억 원을 평가받았고asiae.co.kr, 2025년 7월 현재 주가는 상장가 대비 크게 올라 시가총액 약 3,200억원 수준에 형성되어 있습니다asiae.co.kr. 이는 2024년 예상 매출의 50배 이상에 달하는 수치로 절대적으로는 고평가로 볼 수 있습니다. 그러나 투자자들은 2026년 이후 동물실험 대체 시장의 폭발과 함께 토모큐브가 차세대 신약개발 인프라의 독점적 공급자로 부상할 것을 기대하며 미래 이익을 반영하고 있습니다. 신한투자 보고서에서는 2027년 예상 순이익 기준 PER 20배 후반대로 전망되었는데, 이는 같은 해 매출 급증과 흑자전환을 전제로 한 수치입니다【유저 제공】. 한편 다른 분석에서는 DCF 방식으로 베이스 시나리오 약 2.6만원에서 낙관적 시나리오 28만원까지 주당 가치가 크게 달라지는 추정도 제시되었습니다【유저 제공】. 그만큼 향후 시장 전개 상황에 따른 가치 편차가 큰 상태이며, 투자에 있어서는 성장 모멘텀이 계획대로 현실화되는지 일정과 성과를 모니터링하는 것이 중요합니다.
긍정적으로 보자면, 비교 대상 기업들과 견주어 토모큐브는 업사이드 잠재력이 상당합니다. 예를 들어 미국의 Recursion Pharmaceuticals(Phenomic AI 신약개발 기업)은 전세계의 현미경 데이터를 활용해 AI 신약개발을 하는 회사로 시가총액이 3조원대에 이르는데, 토모큐브만이 제공할 수 있는 “비염색 살아있는 세포” 데이터는 Recursion조차 확보하지 못한 독점 자산이라는 분석이 있습니다asiae.co.kr. 현재 토모큐브의 시가총액은 Recursion의 1자리 수 %에 불과하여asiae.co.kr, 향후 해당 시장을 선점하게 되면 대폭적인 가치 재평가 여지도 있다는 것입니다. 또한 앞서 언급한 파크시스템스의 사례처럼, 원천기술로 새로운 시장을 개척하여 매출 1000억, 1조원대 기업으로 발돋움할 경우 현재 주가는 충분히 저렴해 보일 수 있습니다asiae.co.kr. 다만 리스크 요인으로는 아직 매출 대비 시총이 높아 단기 변동성이 크고, 동물실험 규제 완화가 지연되거나 경쟁기술이 출현할 경우 성장 궤도가 흔들릴 수 있다는 점입니다. 특히 신규 기술의 상용화 속도나 규제 채택 속도가 투자자의 예상보다 느려질 경우 주가가 조정받을 가능성도 있습니다. 따라서 보수적 투자자는 모멘텀 실현 여부를 확인하며 단계적으로 접근하는 전략이 필요하고, 공격적 투자자는 **“안개 속에서도 앞을 볼 수 있는 혜안”**이 요구되는 종목이라 하겠습니다【유저 제공】.
종합 평가: 토모큐브는 명확한 기술적 우위와 시대 흐름에 맞는 비전을 지닌 기업으로, 6가지 투자 체크포인트(BM, 산업환경, 성장성, 해자, 수익성, 밸류에이션)에서 대체로 긍정적인 요소를 다수 갖추고 있습니다. 사업 모델은 혁신적 플랫폼 기술에 기반해 있고, 배후 시장은 신약개발 패러다임 전환이라는 강력한 추세에 연동되어 있습니다. 성장 잠재력은 향후 몇 년 국내외 최고 수준으로 예상되며, **경쟁우위(해자)**는 특허·표준화로 공고해지고 있습니다. 수익성은 현재 낮으나 고부가 제품 특성상 향후 극적으로 개선될 여력이 있고, 밸류에이션은 높은 편이지만 그만한 질적 성장 기대를 반영한 수준으로 해석됩니다. 결국 투자매력도는 향후 계획된 성장 모멘텀이 현실화되는지에 달려있으며, 기술 도입 시기의 타이밍 리스크는 존재하지만 성공 시 보상도 클 것으로 판단됩니다. 기존 투자자라면 제시된 팩트들과 지표들을 수시로 점검하면서 가져가되, 새로운 투자자는 향후 1~2년간 성과 달성 여부를 지켜보며 접근하는 전략이 바람직할 것으로 보입니다.